芯片实验室及发展趋势（三）

③蛋白质分析  
Duffy等［16］利用CD盘式塑料阵列芯片采用离心的方式进行了碱性磷酸酶分析，每个样品检测只需3mL试剂，几分钟内可分析几十个样品。瑞典的GYROS公司已生产出类似的产品并进行了肌球蛋白、IgG、IgA分析［17］。近来Burke
和Regnier［18］在芯片上利用电泳辅助微分析系统（Electrophoretically mediated microanalysis,
EMMA）进行了β-半乳糖苷酶的分析测定。以Ramsey实验小组［19］为代表的很多研究者利用芯片进行了蛋白质和肽的二维电泳分离与检测，为蛋白质的组学研究提供了一种快捷、便利的分析工具。

④药物分析　　Hatch等［20］利用“快速扩散免疫分析”方法在芯片上进行了全血Phenyton(一种抗癲痫药)浓度测定，测定时无需去红细胞，检测时间不足20秒。Chiem等人［21］利用竞争免疫分析法检测血清样品中的治疗哮喘用的药物茶碱的浓度，办法是将含有未标记的药物样品和已知数量的荧光标记的药物及药物抗体混合，未标记的药物与标记的药物竞争，导致标记的药物与抗体复合物的峰信号降低，而单个的标记药物峰信号增加，以LIF为检测器，在稀释的血清中药物检测限为1.25
mg/L，分离时间不超过50秒。Sathuluri等人［22］利用细胞芯片进行抗肿瘤药物的高通量筛选。在芯片实验室上进行手性药物分离及药物相互作用研究等方面的文献报道较多。

⑤小分子分析　　Argaint等［23］研制了一种含有PO2、PCO2和pH传感器的硅芯片用于血气分析。整个芯片的尺寸仅有6mm×22mm大小。用聚丙烯酰胺和聚硅氯烷聚合层分别作为内部电解质腔和气体渗透膜。用集成电路的制作工艺将整个传感器件集成在硅片上。因流路通道也被直接集成在硅芯片上，所以减少了样品和试剂的用量，且分析精度又能满足临床检测的需要。这种产品适宜批量生产。

Koutny等［24］利用免疫芯片电泳不需要进行预浓缩，即可在临床感兴趣的范围（10-600
mg/L）内对血清皮质醇进行芯片电泳免疫分析。Rodriguez等［25］利用同步循环模式，通过CZE和MEKC两种方式分离人尿中的苯丙胺，甲基苯丙胺，3，4-亚甲基二氧甲基苯丙胺及b-苯基乙胺的衍生产物，检测限为10mg/L，远高于目前实际应用的要求。

当然，其应用不仅仅局限在生物医学领域，在化学有机合成和分析化学等方面亦得到时了广泛的应用，在此不再细述。

五、芯片实验室发展趋势
芯片实验室由于它的发展涉及很多学科，又由于研究者的专长和兴趣不同，研究的侧重点不同，因此重现出发展的多样性，总的发展朝着更加完善的方向发展。
1．芯片制造由手工为主的微机电(MEMS)技术生产逐渐朝自动化、数控化的亚紫外激光直接刻蚀微通道方向发展。
2．将泵、阀、管道、反应器等集于一体，呈高度集成化。最具代表性的工作是美国Quake研究小组[9]将三千多个微阀、一千个微反应器和一千多条微通道集成在尺寸仅有几十个平方毫米面积的硅质材料上，完成了液体在内部的定向流动与分配。

3．用于芯片实验室制造的材料呈现出多样式，朝着越来越便宜的方向发展。由最初的价格昂贵的玻璃和硅片为材料，发展成为以便宜的聚合物材料，如聚二甲基硅烷（PDMS）、聚甲基异丁烯酸（PMMA）和聚碳酸酯（PC）等。因而，为将来的一次性使用提供了基础。

4．由于不同样品分离检测的需要，分离通道表面的改性呈现出多样性发展。用磺化、硝化、胺化及把带双官能团的化合物耦合到表面的胺基上的办法加以修饰可获得各种分子组分的表面；用EDA、PDA、CAB、SPH及有机硅烷和无机氧化物等［26-29］加以修饰微通道表面，以改善吸附特性，改变疏水性和控制电动力学效应以提高分离效率。
5．芯片实验室的驱动源从以电渗流发展到流体动力、气压、重力、离心力、剪切力等多种手段。一种利用离心力的芯片已经商品化，被称为Lab-on-a-CD，因为该芯片形状象一个小CD盘［30］。

6． 芯片实验室的检测技术朝着多元化发展。目前最常用的检测器是荧光和电化学检测器。随着固态电子器件的发展，一些传统的检测方法也进入这一领域，如采用半导体微波源的MIPAES检测、不需标记的SPR检测、快速阻抗谱（FIS）检测、NIR时间分辨荧光检测。

7．应用方向：芯片实验室已从主要应用的生命科学领域扩展到其它领域。例如用于DNA、RNA、蛋白质等方向分析检测，还用于化学和生物试剂、环境污染的监测；监控微秒级的化学和生物化学反应动力学；用于许多化学合成反应的研究，药物和化学合成与筛选等［31］。因此，芯片实验室不仅为分析化学家，也为合成化学家特别是药物合成化学家打开了通往无限美好明天的大门。

8．芯片实验室产业化发展越来越明显、越快速。由于它的基础研究和技术研究越来越专和精，使整体技术发展速度加快，再加之它朝着检测功能化方面发展，其应用前景越来越广。因此，产业化前景看好，有可能成为新的经济增长点。

参考文献
［1］ 林炳承.   微全分析系统中的微分离学及其在生命科学中的应用［J］. 现代科学仪器 2001，78（14）21-24.
［2］ Manz A, Graber N, Widmer HM. Miniaturized total chemical analysis systems: A novel concept for chemical sensing[J]. Sensor Actuators B, 1990,1(1): 244-248.
［3］ Jacobson SC, Hergenroder R, Koutny LB, et al. High-Speed Separations on a Microchip[J]. Anal.Chem. 1994, 66(7):1114-1118.  
［4］ Woolley AT, Mathies RA. Ultra-High-Speed DNA Sequencing Using Capillary Electrophoresis Chips[J]. Anal Chem, 1995, 67（20）:3676-3680.
［5］ Woolley AT, Hadley D, Landre P, et al. Functional Integration of PCR Amplification and Capillary Electrophoresis in a Microfabricated DNA Analysis Device[J]. Anal Chem, 1996, 68（23）:4081-4086.
［6］ 周小棉，戴忠鹏，林炳承. 第五届全国毛细管电泳及相关微分离分析学术报告会文集[C].2002,10 上海.
［7］ 高健，夏方泉，殷学锋，等。 第五届全国毛细管电泳学术报告会论文集［C］，, 2002，10 上海.
［8］ Polla D, Krulevitch LP, Wand A, et al. 1st Annual International IEEE-EMBS Special Topic Conference on Microtenchnologies in Medicine Biology[C], 2000, Oct.12-14.
［9］Thorsen T, Maerkl SJ, Quake SR. Microfluidic Large-Scale Integration[J]. Science 2002,Oct 18: 580-584.
［10］Emrich CA, Tian H, Medintz IL, et al. Microfabricated 384-Lane Capillary Array Electrophoresis Bioanalyzer for Ultrahigh-Throughput Genetic Analysis[J]. Anal. Chem.2002, 74,（19）：5076-5083.
［11］Ramsey JM, Alarie JP, Jacobson SC, et al. Molecular transport through nanometer confined channels[C]. Micro Total Analysis Systems 2002,volume 2:862-864.
［12］ Gaward S, Schild J, Renaud, PH. Micromachined inpedance spectroscopy flow cytometer for cell analysis and particle sizing[J] Lab on a chip, 2001, 1:76-82.
［13］Tezuka Y, Ueda M, Baba Y, et al. DNA size separation employing micro-fabricated monolithic nano-structure[C] Micro Total Analysis Systems 2002,volume 1:212-214.
.［14］ Lee NY, Yamada M, Seki M. Improved sample injection method adapting hydrophobic passive valve systems for microfluidic devices[C]. Micro Total Analysis Systems 2002,volume 2:667-669.
［15］Hofgärtner WT., Hühmer AFR, Landers JP, et al.. Rapid Diagnosis of Herpes Simplex Encephalitis Using Microchip Electrophoresis of PCR Products [J]. Clin.Chem. 1999, 45:2120-2128.
［16］Duffy DC, Gillis HL., Lin J. et al. Microfabricated Centrifugal Microfluidic Systems: Characterization and Multiple Enzymatic Assays [J]. Anal.Chem. 1999, 71（20）:4669-4678.
［17］ www.gryos.com
［18］Burke BJ, Regnier FE.  Electrophoretically mediated microanalysis of -galactosidase on microchips [J]. Electrophoresis, 2001，22（17）：3744-3751.
［19］Jacobson SC, Ramsey JD, Culbertson CT, et al. High performance two dimensional separations of tryptic digests microfluidic devices[C].p608-610
［20］Hatch A., Kamholz AE, Hawkins KR, et al  A rapid diffusion immunoassay in a T-sensor[J]. Nature Biotech. 2001, 19（5）:461-465.
［21］Chiem NH., Harrison DJ. Microchip-Based Capillary Electrophoresis for Immunoassays: Analysis of Monoclonal Antibodies and Theophylline [J]. Anal. Chem., 1997, 69(3): 373-378.
［22］Sathuluri RR,Yoshinori A, Yasutaka M, et al. High-throughput of anticancer drugs using microarray based cell chip[C]. Micro Total Analysis Systems 2002,volume 2:862-864.
[23] Arquint P, Milena KH, Barcholomeus H， et al. Micromachined analyzers on a silicon chip [J]. Clin Chem. 1994, 40:1805-1809.
［24］Koutny LB, Schmalzing D, Taylor TA, et al. Microchip Electrophoretic Immunoassay for Serum Cortisol [J].  Anal. Chem. 1996, 68（1）:18-22.
［25］Rodriguez I, Lee HK, Li SFY.  Microchannel electrophoretic separation of biogenic amines by micellar electrokinetic chromatography[J].  Electrophoresis, 1999, 20(1):118-126.
［26］Yamamoto,T, Nojima T, Fujii T. PDMS lass hybrid microreactor array with embedded temperature control device. Application to cell-free protein synthesis[J].  Lab on chip, 2002,4,197-202.
［27］. Henry AC, Tutt TJ, Galloway M, et al. Surface Modification of Poly(methyl methacrylate) Used in the Fabrication of Microanalytical Devices[J].Anal.Chem. 2000, 72 （21）：5331-5337.
［28］ He B, Tait N, Regnier F.  Fabrication of Nanocolumns for Liquid Chromatography [J]. Anal. Chem., 1998,70（18）：3790-3797(b).
［29］. Kulter J, Jacobson SC, Matsubara N, et al. Solvent-Programmed Microchip Open-Channel Electrochromatography[J].  Anal. Chem., 1998,70（15）：3291-3297.
［30］ www.gyros.com
［31］ Chiem NH, Harrison DJ. Microchip systems for immunoassay: an integrated immunoreactor with electrophoretic separation for serum theophylline determination[J].  Clin.Chem., 1998,44,591-598.

中国科学院大连化学物理研究所[2]，116023
＊联系人地址：中国科学院大连化学物理研究所，116023，email:zhouximi@hotmail.com
摘要：介绍芯片实验室的一般特点、应用、发展历史和现状。分别讨论相关技术的发展趋势，并对其应用前景提出展望。